Отсутствие частичных разрядов (ЧР, ПЧР), а также пробоев в воздухе и вдоль поверхности на высокой частоте, по сравнению с их отсутствием на промышленной частоте, является более важным для изоляционных конструкций. Возникновение ЧР приводит к образованию радиопомех, а также к перерастанию ЧР в крайне опасную для аппаратуры факельную форму разряда.
Напряжение образования ПЧР в удобной для аналитического определения форме можно вычислить по формуле 
Рис. 3.5. Зависимость напряжения пробоя от расстояния между электродами шар—плоскость (кривые 1.. .3) и гиперболоид—плоскость (кривые 4 и 5) на частоте 50 и 1000 кГц
1— r= 1,4 мм; 2 — r=3 мм; 3 — r=5,5 мм; 4 — r=2 мм; 5 — r= 10 мм
где I — расстояние между электродами; r0— наименьший радиус кривизны электродов; kH — коэффициент неравномерности электрического поля; с — коэффициент, зависящий от формы импульса напряжения и коэффициента неравномерности электрического поля; δ — относительная плотность воздуха.
Необходимость исследования пробоя в воздухе на высоких частотах, помимо общеизвестных причин, возникает для конструкций с твердой изоляцией в случае применения некороностойких полимерных материалов (ПЭ, ПП, Ф-4 и др ) с целью создания системы изоляции, гарантирующей отсутствие пробоя вдоль поверхности тела изолятора.
С повышением частоты наблюдается снижение разрядных напряжений по сравнению с постоянным напряжением и напряжениями промышленной частоты.
Из рис. 3.5 виден характер изменения напряжения с ростом межэлектродного расстояния и изменением радиусов кривизны электродов.
Зависимость напряжения пробоя от частоты для указанных электродов четко выявляется только у кривых 1 и 2, где напряжение на частоте 50 кГц примерно на 6% больше, чем на частоте 1000 кГц. На других разрядных промежутках различие составляет 1 ...2% и четко фиксироваться не может. Это снижение связано с накоплением объемного заряда положительных ионов в разрядном промежутке, который искажает электрическое поле и увеличивает его в активной области около катода.
Работами группы А. А. Жукова [18] найдено, что образование на высоких частотах токов отрицательных и положительных ионов при низких значениях напряжения свидетельствует о начале формирования объемного заряда до значений предпробойных напряжений и только перед пробоем начинается его быстрый рост. При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При К > 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф> 0·
Таблица 3.5
В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7 ... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.
При этом в слабо неравномерных полях напряжение пробоя в исследованном диапазоне частот 0,05... 5 МГц зависит от частоты, а при резконеравномерном поле такой зависимости не наблюдается.
Накопление объемного заряда становится возможным, когда амплитуда дрейфовых колебаний ионов в переменном электрическом поле с повышением частоты становится меньше размера разрядного промежутка. Частота, при которой начинается снижение напряжения, называется первой критической частотой. Значение критической частоты для изоляционных конструкций зависит от коэффициента неравномерности электрического поля, характерного размера длины промежутка, от рода и давления газа. С дальнейшим повышением частоты снижение разрядного напряжения замедляется. Новое резкое снижение разрядного напряжения с повышением частоты наблюдается, когда амплитуда дрейфовых колебаний электронов становится меньше характерного размера разрядного промежутка. Соответствующая частота называется второй критической частотой. Ее возникновение обычно обнаруживается в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам.
Описанная зависимость разрядных напряжений от частоты четко наблюдается в промежутках с коэффициентом неравномерности kH < 3 ... 4. Характерным размером разрядного промежутка в этом случае считают длину промежутка.
При к> 4 амплитуда колебаний ионов и электронов может оказаться меньше длины промежутка еще задолго до достижения частотой значения первой критической. Характерным размером промежутка считают здесь протяженность активной зоны, т. е. зоны, где эффективный коэффициент ионизации электронным ударом аэф > 0.
Таблица 3.5
В табл. 3.5 приведены значения разрядных напряжений при постоянном расстоянии 30 мм в нормальных условиях. Данные таблицы свидетельствуют о снижении напряжения с ростом частоты на 7... 35% по мере увеличения коэффициента неравномерности электрического поля.
Для практических целей можно воспользоваться значениями разрядных напряжений в нормальных условиях для коэффициента неравномерности электрического поля k< 4 при частотах 150 КГц (в числителе) и 1500 кГц (в знаменателе), приведенных в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Для слабо неравномерных электрических полей имеет место монотонное уменьшение разрядного напряжения с ростом частоты.
Таблица 3.7
Коэффициенты неравномерности электрического поля и напряженности образования ЧР можно определить из уравнений, приведенных в табл. 3.7, где I — расстояние между электродами;
r — радиус кривизны; р = r/l; δ — относительная плотность воздуха.
Для экспериментальных данных разрядных напряжений между электродами шар—шар, шар—плоскость, гиперболоид вращения — гиперболоид вращения, гиперболоид вращения — плоскость и для коаксиальных систем были определены с использованием программы AXIAL значения максимальных напряжений, которые сравнивались со значениями, определенными по Бенингу [19] для частот до 20 МГц.
Таблица 3.8
Разрядные характеристики для электродов шар — шар (амплитудные значения)
Характеристики, приведенные в табл. 3.8... 3.10, могут быть использованы для приближенных расчетов значений k и l конструкций с близкими геометриями.
Рассчитанные по табл. 3.7 значения kн для межэлектродных расстояний 5... 20 мм соответственно равны 1,18; 1,37;
1,57; 1,78.
Таблица 3.9
Разрядные характеристики для электродов шар — плоскость при r0 = 10 мм
(амплитудные значения)
Анализируя экспериментальные значения пробоя воздушных промежутков шар—шар радиусом 10 мм (табл. 3.8), можно наблюдать, что при одинаковой форме электродов с ростом изоляционного промежутка, помимо известного снижения Еср, существенно возрастает значение Еmах.
Значения величин Emаx, рассчитанных по Бенингу и по Пику, имеют значительные расхождения. Разница значений увеличивается с ростом расстояния между электродами, что характерно и для электродов шар—плоскость (табл. 3-9).
Таблица 3.10
Разрядные характеристики для электродов шар — плоскость при r= 3 мм и f= 5-103..1-106 Гц (амплитудные значения)
Величины Етax, определенные по программе AXIAL и по Бенингу, практически не различаются и могут быть использованы для определения изоляционных промежутков и выбора геометрии электродов.
Сравнение табл. 3.8 и 3.9 показывает, что при одинаковых радиусах кривизны шаров и расстояниях между электродами большие значения напряжений пробоя имеют место для электродов шар—шар, что, очевидно, вызвано более равномерным электрическим полем и, следовательно, более равномерным распределением заряда вдоль поверхности электрода. Из сравнения также видно, что при расстояниях более 15 мм большие значения Етах не свидетельствуют о большем значении напряжения пробоя. Поэтому предварительный выбор формы и размеров изоляционных промежутков целесообразно производить не по значению Етах, а по к. Значения Етах не являются абсолютным критерием для выбора системы изоляции, в то время как уменьшение k всегда обеспечивает существенные преимущества по сравнению с неравномерными полями.
Для электродов шар—плоскость радиусом 3 мм (табл. 3.10) напряжения пробоя для диапазона частот 5 103... 106 Гц близки по своим значениям.
Значения Етах в 1,5 раза выше, чем напряженность для электродов типа шара радиусом 10 мм, но напряженность пробоя меньше в 1,5... 2 раза. Следовательно, при равных межэлектродных промежутках значении для шара радиусом 3 мм почти в 2 раза превосходят k для шара радиусом 10 мм. Это является дополнительным свидетельством универсальности выбора геометрии поля с учетом коэффициента kH.
Разрядные характеристики (амплитудные значения) для различных расстояний между гиперболоидами вращения и r0= 10 мм приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11
Таблица 3.12
Таблица 3.13
Для электродов гиперболоид вращения — плоскость и гиперболоид — гиперболоид (табл. 3.11) с радиусами кривизны 10мм характерно снижение значений Еср и Етах с увеличением расстояния между электродами и соответственно с ростом kH. Более высокие значения Uпр, а соответственно и Етах, Еср, при равных радиусах кривизны и расстояниях между электродами имеют место для электродов гиперболоид — гиперболоид.
Исходя из данных, приведенных в табл. 3.8... 3.11, следует, что при выборе высокочастотных изоляционных промежутков с электродами равного радиуса кривизны целесообразно применять их в следующем порядке: гиперболоид—гиперболоид, шар—шар, шар—плоскость, гиперболоид—плоскость, которые обеспечивают большую электрическую прочность при прочих равных условиях.
При выборе тех же изоляционных промежутков, исходя из напряжения образования ЧР, преимущества будут снижаться для электродов шар—плоскость, шар—шар, гиперболоид—гиперболоид, гиперболоид — плоскость.
Разрядные характеристики для коаксиальной системы с наружным диаметром 40 мм приведены в табл. 3.12.
Как видно из табл. 3.12, для коаксиальной системы характерны те же зависимости, что и для других элементов — рост напряжения пробоя с уменьшением kH и снижение его с повышением частоты.
Разрядные характеристики коаксиальной системы для различных значений внутреннего и внешнего радиусов кривизны на частоте 100 кГц (амплитудные значения) приведены в табл. 3.13.
Данные табл. 3.13 свидетельствуют о том, что с увеличением радиуса внешнего электрода при неизменном значении радиуса кривизны внутреннего, т. е. С ростом межэлектродного расстояния, возрастают напряжение разряда и максимальная напряженность электрического поля. При постоянном расстоянии между электродами и росте радиусов внутреннего и внешнего электродов, т. е. с уменьшением коэффициента неравномерности электрического поля, имеют место увеличение разрядного напряжения и уменьшение значения максимальной напряженности.
Факельный, или одноэлектродный, разряд является разновидностью высокочастотного разряда и возникает при частотах в несколько мегагерц «а участках электрода с максимальной напряженностью и максимальными градиентами температурного поля. Ионизация и повышение температуры воздуха в этих участках приводит к появлению столба ионизированного воздуха, который подымается, принимая форму факела. Образовавшийся факел (табл. 3.14) передвигается вместе с движением воздуха, разрушая изоляцию и другие элементы конструкции, так как его температура превышает 2000° С.
Попадая в область пониженной напряженности электрического поля, факел гаснет.
Наравне с влиянием на факельный разряд температуры ионизированного воздуха, на пороговое напряжение и критическую частоту могут влиять теплопроводность проводника, площадь его поверхности охлаждения, климатические факторы (влажность, запыленность).
Создание условий, исключающих создание на изоляционной конструкции факельного разряда, встречает трудности вследствие влияния на его образование случайных факторов, приводящих к возникновению локальных напряженностей или температурных излучений, скоплению пыли или влаги, образованию коротких замыканий или чрезмерных перенапряжений, например, при коммутациях. Наблюдались случаи образования факельного разряда при появлении насекомых на высокочастотных проводах.
Наличие факельного разряда недопустимо из-за опасности перегорания проводов, значительных потерь энергии и снижения формы передаваемого сигнала.
Снижение напряжения пробоя вдоль поверхности изоляции до 20... 25% с ростом частоты для конструкций со слабо неравномерным полем наблюдается уже при 10...20 кГц. Более раннее, по сравнению с пробоем воздушных промежутков, достижение первой критической частоты можно объяснить повышением напряженности электрического поля на границе диэлектрика, присутствием макро- и микронеоднородностей на поверхности вследствие недостаточной чистоты обработки поверхности диэлектрика, оседания пыли, влаги и т. п. Уменьшение напряжения поверхностного, по сравнению с воздушным, разряда обусловлено также ростом емкостных токов и процессом объемной ионизации воздуха с увеличением диэлектрической проницаемости твердой изоляции. Отсюда вытекают особые требования к снижению емкости, предъявляемые к высокочастотным изоляционным конструкциям — снижению площади арматуры, увеличению изоляционного промежутка, снижению диэлектрической проницаемости материала и др.
Проведенные группой А. А. Жукова испытания цилиндрических образцов из миполона, фторопласта-4 и стеатита марки Б-17, помещенных между электродами Роговского в диапазоне 1-5 МГц, показали:
- по сравнению с аналогичным воздушным промежутком, имеющим пробой при напряжении 9,4 кВ, напряжение пробоя вдоль поверхности миполона составило 8,5 кВ, для Ф-4 — составило 8,75 кВ, а для Б-17 — снизилось до 5 кВ;
- в отличие от пробоя в воздухе после пробоя вдоль поверхности при отсутствии высокочастотного напряжения наблюдается медленное (до 5 мин) спадание токов положительных и отрицательных ионов.
Предполагается, что причина этих явлений — накапливающийся на поверхности диэлектрика заряд. Поверхностный пробой происходит при наличии переменного высокочастотного поля и постоянной составляющей объемного заряда, не учитываемого измерительной аппаратурой.
